СМЕСЬ ЛЮМИНОФОРОВ И СОДЕРЖАЩАЯ ЕЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА Российский патент 2015 года по МПК C09K11/77 C09K11/08 H01J61/44 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/174808, поданной 1 мая 2009 г.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Использование редкоземельных люминофоров для применения в люминесцентных лампах общего освещения хорошо известно. Редкоземельные люминофоры содержат по меньшей мере один редкоземельный элемент, обычно в виде иона-активатора (например, Eu²⁺, Tb³⁺, Ce³⁺). Каждый изготовитель таких ламп использует редкоземельные люминофоры для получения ламп с различными уровнями светового выхода (или выходного светового потока, в люменах), цветовой температуры (color temperature, CCT) и индекса цветопередачи (color rendering index, CRI). Типичные редкоземельные люминофоры при промышленном применении для флуоресцентных (люминесцентных) ламп включают в себя люминофор красного свечения Y₂O₃:Eu (YOE), люминофор зеленого свечения La(PO₄):Ce,Tb (LAP) и люминофор синего свечения BaMgAl₁₀O₁₇:Eu (BAM). Специалистам в данной области техники также известны другие люминофоры зеленого свечения, такие как (Ce,Tb)MgAl₁₁O₁₉ (CAT) и (Gd,Ce,Tb)MgB₅O₁₀ (CBT), и люминофоры синего свечения, такие как Sr₅(PO₄)₃:Cl,Eu (SCAp).

[0003] И хотя использование редкоземельных люминофоров при газоразрядном освещении хорошо известно, тенденция в промышленности состояла в использовании люминофоров все меньшего и меньшего размера для снижения массы порошка, необходимого для данного уровня светового выхода. Однако также все более желательным становится получение источников света с более высокой эффективностью для снижения потребления энергии и тем самым снижения выбросов парниковых газов.

[0004] Источник света с более высокой эффективностью будет обладать более высоким значением лм/Вт (люмен на ватт электроэнергии на входе). Использование флуоресцентной лампы с более высоким значением лм/Вт будет снижать потребление электроэнергии (кВт·ч) для данного уровня светового выхода. Снижение потребления электрической энергии потребителями во всех категориях будет приводить к снижению количества ископаемого топлива, применяемого на вырабатывающих электроэнергию предприятиях. Это, в свою очередь, будет снижать количество CO₂ - парникового газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива.

Сущность изобретения

[0005] Данное изобретение обращает эту промышленную тенденцию и задействует использование редкоземельных люминофоров с очень большим размером частиц (называемых здесь «крупными» люминофорами, от англ. Jumbo phosphors) для получения источников света с более высокой эффективностью, в частности флуоресцентных ламп с более высокой эффективностью. Более того, неожиданно было обнаружено, что повышение эффективности ламп больше в том случае, когда использован двойной слой крупных люминофоров, по сравнению с повышением эффективности, достигаемым с одним слоем крупных люминофоров.

[0006] В соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрена смесь люминофоров, состоящая из редкоземельного люминофора красного свечения, редкоземельного люминофора зеленого свечения и редкоземельного люминофора синего свечения, при этом размер 50% люминофоров составляет от примерно 12 до 15 мкм.

[0007] В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрена флуоресцентная лампа, содержащая электроды и стеклянную оболочку, имеющую люминофорное покрытие на внутренней поверхности, причем оболочка герметично запаяна и содержит некоторое количество ртути и инертного газа, люминофорное покрытие содержит смесь люминофоров, состоящую из редкоземельного люминофора красного свечения, редкоземельного люминофора зеленого свечения и редкоземельного люминофора синего свечения, при этом размер 50% люминофоров составляет от примерно 12 до 15 мкм.

Краткое описание чертежей

[0008] Фиг.1A и 1B представляют собой РЭМ-микрофотографии люминофоров YOE красного свечения соответственно крупного и стандартного размера.

[0009] Фиг.2A и 2B представляют собой РЭМ-микрофотографии люминофоров LAP зеленого свечения соответственно крупного и стандартного размера.

[0010] Фиг.3A и 3B представляют собой РЭМ-микрофотографии люминофоров BAM синего свечения соответственно крупного и стандартного размера.

[0011] Фиг.4 представляет собой график зависимости выходного светового потока в люменах через 100 ч от массы порошка для различных смесей люминофоров.

[0012] Фиг.5 представляет собой график зависимости оптической плотности от массы порошка для различных смесей люминофоров.

[0013] Фиг.6 представляет собой график зависимости выходного светового потока в люменах через 100 ч от массы порошка для смеси крупных люминофоров в сравнении со стандартной смесью.

[0014] Фиг.7 представляет собой изображение в разрезе флуоресцентной лампы, содержащей смесь крупных люминофоров.

Подробное описание изобретения

[0015] Для лучшего понимания настоящего изобретения, наряду с другими и дополнительными его задачами, преимуществами и возможностями, здесь приводится ссылка на следующее описание и прилагаемую формулу изобретения, в сочетании с вышеописанными чертежами.

Крупные люминофоры: физические характеристики

[0016] Красный, зеленый и синий крупные люминофоры JYOE, JLAP и JBAM имеют тот же химический состав, что и промышленные красный (YOE), зеленый (LAP) и синий (BAM) люминофоры, которые используются во флуоресцентных лампах, включая типы 2343 (YOE), 2212 (LAP) и 2464 (BAM), выпускаемые компанией Global Tungsten & Powders Corp., Тованда, Пенсильвания, США. В целях сопоставления, уровни активатора и максимальные длины волн излучения крупных аналогов этих люминофоров являются теми же, что и у контрольных промышленных люминофоров. Основное различие состоит в размере частиц.

[0017] Применительно к настоящей работе, все измерения размеров частиц были сделаны на анализаторе размера частиц лазерной дифракцией (системы Мальверн). Размер 50% относится к медианному по объему диаметру, т.е. 50% по объему от всех частиц являются большими, чем этот размер, и 50% по объему также являются меньшими, чем этот размер.

[0018] В частности, размер 50% без ультразвуковой обработки (без ультразвуковой дисперсии) крупных красного, зеленого или синего люминофоров составляет примерно 12-15 мкм. В порядке сравнения, стандартный красный люминофор типа 2343 и стандартный зеленый люминофор типа 2212 имеют размеры 50% без ультразвуковой обработки 9-10 мкм, а стандартный синий люминофор типа 2464 имеет размер 50% без ультразвуковой обработки примерно 7-8 мкм. Такие люминофоры стандартных размеров здесь используются в качестве контрольных.

[0019] РЭМ-фотоснимки крупных редкоземельных люминофоров в сравнении со стандартными промышленными люминофорами показаны на фиг.1-3.

Характеристики крупных люминофоров во флуоресцентных лампах T8 Octron®

[0020] Последовательные испытания по массе порошка осуществляли на лампе конфигурации T8, используя в каждом случае одинаковое предварительное покрытие из оксида алюминия C (AOC). Единственной переменной была используемая смесь люминофоров. Испытывали три смеси: одна с крупными люминофорами, одна с редкоземельными люминофорами стандартного размера 2343 (YOE), 2212 (LAP) и 2464 (BAM) для лампы OSRAM SYLVANIA Octron® XPS, и одна с редкоземельными люминофорами стандартного размера 2342 (YOE), 2213 (LAP), 2464 (BAM) для лампы OSRAM SYLVANIA Octron® XP, обладающие меньшим размером частиц у люминофоров красного и зеленого свечения по сравнению с люминофорами, используемыми для лампы Octron® XPS. На фиг.4 показана зависимость откорректированного по цвету выходного светового потока в люменах через 100 ч от массы порошка смеси люминофоров.

[0021] Из информации, представленной на фиг.4, можно сделать несколько выводов. Максимальный световой поток, который может быть достигнут, является наибольшим для смеси крупных люминофоров. Для обеих других смесей люминофоров максимальный выходной световой поток, который может быть достигнут, является более низким, чем возможный с крупными люминофорами. Наибольший выходной световой поток, который также дает наибольшее значение лм/Вт (люмен на ватт) или наибольшую эффективность лампы, реализован при массе порошка смеси крупных люминофоров примерно 6 г. Для других смесей выходной световой поток при массе порошка 6 г заметно ниже, чем при массах порошка, соответствующих локальным максимумам светового потока для этих смесей. Иными словами, просто повышение массы порошка смесей люминофоров с более мелкими размерами до 6 г не позволит им достичь максимального светового потока или уровня лм/Вт, возможного с крупными люминофорами. С крупными люминофорами реализованы выигрыши в примерно 1,5% светового потока и лм/Вт по сравнению со стандартной люминофорной смесью люминофоров 2343, 2212 и 2464.

[0022] На фиг. 5 показана зависимость измеренной на лампах оптической плотности слоев покрытия от массы порошка. Оптическая плотность является мерой уровня рассеяния видимого света при любой данной массе порошка. Если смесь обладает более высокой оптической плотностью, чем другая смесь при той же массе порошка, это означает, что первая рассеивает больше видимого света, чем последняя. Это, в свою очередь, подразумевает, что смесь с более высокой оптической плотностью имеет меньший размер частиц. Из данных, представленных на фиг.5, ясно, что смесь крупных люминофоров обладает наибольшим размером частиц по сравнению с двумя другими смесями. Это является независимым доказательством большего эффективного размера этих крупных люминофоров в реальных условиях эксплуатации флуоресцентной лампы.

[0023] Вторую последовательность исследований по массе порошка выполняли на лампе конфигурации T8 Octron, используя в каждом случае то же предварительное покрытие из AOC. Единственной переменной была используемая смесь люминофоров. Испытывали две смеси: одна с крупными люминофорами и одна с редкоземельными люминофорами стандартного размера 2343, 2212 и 2464 для лампы Octron® XPS. На фиг.6 показана зависимость откорректированного по цвету светового потока через 100 ч от массы порошка смеси люминофоров. Конкретные партии люминофоров, используемые в этом втором испытании, были отличны от тех, которые представлены на фиг.4.

[0024] Из информации, представленной на фиг.6, можно сделать несколько выводов. Максимальный световой поток, который может быть достигнут, является наибольшим для смеси крупных люминофоров. Для стандартной смеси люминофоров наибольший световой поток, который может быть достигнут, является более низким, чем возможный с крупными люминофорами. Наибольшее значение лм/Вт (люмен на ватт) или наибольшая эффективность лампы реализованы при массе порошка смеси крупных люминофоров примерно 6 г. (Хотя представляется, что использование масс порошка более 6 г дополнительно повысило бы выходной световой поток и значение лм/Вт для смеси крупных люминофоров, на практике становится все более трудным применять массы порошков тяжелее, чем примерно 6 г). Просто повышение массы порошка смеси люминофоров с меньшими размерами до 6 г не позволит им достичь максимальных уровней светового потока и лм/Вт, возможных с крупными люминофорами. С крупными люминофорами реализованы выигрыши в примерно 2,5% по световому потоку и лм/Вт по сравнению со смесью люминофоров типа 2343, 2212 и 2464 стандартных размеров для лампы XPS.

Двухслойные крупные люминофоры в сравнении с однослойными крупными люминофорами

[0025] Провели испытания для оценки эффекта нанесения крупных люминофоров в два слоя вместо одного слоя. Были сделаны три группы ламп. В контрольной группе были использованы стандартные люминофоры для лампы OSRAM SYLVANIA Octron® XPS в один слой. В первой тестовой группе были использованы крупные люминофоры в виде одиночного слоя, тогда как в другой тестовой группе были использованы те же крупные люминофоры, но нанесенные в два слоя: один слой поверх другого, с примерно равными массами в каждом слое. Нанесение двухслойных покрытий без промежуточного отжига первого слоя хорошо известно специалистам в данной области техники, и его можно осуществить одним из нескольких способов, включая отжиг первого слоя перед нанесением второго слоя или делая первый слой нерастворимым за счет использования подходящих сшивающих химикатов в суспензии. Результаты этого испытания показаны в Таблице 1 ниже.

Таблица 1   Повышение лм/Вт относительно контрольных   Не откорректированные по цвету Откорректированные по цвету   Повышение лм/Вт, % Повышение лм/Вт, % Одиночный слой крупных люминофоров 5,6 г 2,55 2,97 Двойной слой крупных люминофоров 3,25 г/3 г 3,70 4,21

[0026] Неожиданно, при переходе от однослойного к двухслойному подходу к нанесению крупных люминофоров никакого снижения выходного светового потока не наблюдали. На самом деле, при использовании двухслойного подхода наблюдается повышение выходного светового потока. При двухслойном способе получено по меньшей мере 1%-ое повышение значения лм/Вт относительно однослойного способа. Следует отметить, что имеется разница в 0,5 г по массе покрытия между двумя группами крупных люминофоров в Таблице 1, причем общая масса двухслойных люминофоров больше, чем у одиночного слоя крупных люминофоров. Однако, исходя из данных, представленных на фиг.4 и 6, этой разницей в массе порошка крупных люминофоров невозможно объяснить то повышение лм/Вт, которое наблюдается для двухслойной системы крупных люминофоров.

[0027] Фиг.7 представляет собой изображение в разрезе флуоресцентной лампы, имеющей люминофорное покрытие, содержащее смесь крупных люминофоров по данному изобретению. Лампа имеет герметично запаянную стеклянную оболочку (колбу) 17. Внутреннее пространство оболочки 17 заполнено инертным газом, таким как аргон или смесь аргона и криптона при низком давлении, например, 1-3 торр, и небольшим количеством ртути, по меньшей мере достаточным для обеспечения низкого давления паров ртути в ходе эксплуатации. Между электродами 12 генерируется электрический разряд для возбуждения паров ртути с образованием ультрафиолетового излучения. На внутреннюю поверхность оболочки 17 нанесено люминофорное покрытие 15 для преобразования по меньшей мере части ультрафиолетового излучения, испускаемого в результате разряда ртути низкого давления, в длины волн желаемого диапазона. Люминофорное покрытие 15 содержит смесь крупных люминофоров, которая испускает белый свет (скомбинированные красное, синее и зеленое излучения) при ее возбуждении ультрафиолетовым излучением, испускаемым в результате разряда. Люминофорное покрытие может быть нанесено в виде однослойного или в виде двухслойного покрытия.

[0028] Хотя вышеописанная смесь крупных люминофоров является особо полезной для флуоресцентных ламп, ее также можно использовать и для других генерирующих ультрафиолетовое излучение источников света, таких как УФ-излучающие светодиоды (СИД). Например, смесь люминофоров может быть нанесена на УФ-излучающие СИД, при этом длины волн, испускаемые из СИД, находятся в диапазоне от 180 до 260 нм. Некоторые такие УФ-излучающие СИД также можно устанавливать согласно прямоугольной/квадратной схеме размещения, вместе с необходимым оборудованием термоуправления. Покрытие на каждом из УФ-излучающих СИД или покрытие на плоском листе, расположенном дальше от УФ-излучающих СИД, может представлять собой слой смеси крупных люминофоров, которая будет преобразовывать УФ-излучение от СИД в видимое излучение.

[0029] Хотя выше было показано и описано то, что в настоящее время считается предпочтительными вариантами воплощения изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в них могут быть проделаны различные изменения и модификации без отступления от объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Изобретения могут быть использованы в системах освещения. Смесь люминофоров состоит из редкоземельного люминофора красного свечения, например YOE, редкоземельного люминофора зеленого свечения, например одного из LAP, CAT или CBT, и редкоземельного люминофора синего свечения, например одного из BAM и SCAp. Размер 50% люминофоров, т.е. медианный по объему диаметр, от 12 мкм до менее чем 15 мкм. Флуоресцентная лампа содержит электроды и стеклянную оболочку, имеющую люминофорное покрытие из указанной смеси на внутренней поверхности, герметично запаянную и содержащую ртуть и инертный газ. Люминофорное покрытие нанесено в один или два слоя, первый из которых составляет 40-60% по массе от люминофорного покрытия. Изобретения обеспечивают повышение эффективности флуоресцентной лампы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Смесь люминофоров, состоящая из редкоземельного люминофора красного свечения, редкоземельного люминофора зеленого свечения и редкоземельного люминофора синего свечения, при этом размер 50% люминофоров составляет от 12 до менее чем 15 мкм, где размер 50% представляет собой медианный по объему диаметр, т.е. 50% по объему от всех частиц люминофоров являются большими, чем этот размер, а 50% по объему - меньшими, чем этот размер.

2. Смесь люминофоров по п. 1, при этом люминофор красного свечения представляет собой люминофор YOE, люминофор зеленого свечения представляет собой по меньшей мере один из люминофоров LAP, CAT или CBT, а люминофор синего свечения представляет собой по меньшей мере один из люминофоров BAM или SCAp.

3. Смесь люминофоров по п. 1, при этом люминофор красного свечения представляет собой люминофор YOE, люминофор зеленого свечения представляет собой люминофор LAP, а люминофор синего свечения представляет собой люминофор BAM.

4. Флуоресцентная лампа, содержащая: электроды и стеклянную оболочку, имеющую люминофорное покрытие на внутренней поверхности, причем стеклянная оболочка герметично запаяна и содержит некоторое количество ртути и инертного газа, люминофорное покрытие содержит смесь люминофоров, состоящую из редкоземельного люминофора красного свечения, редкоземельного люминофора зеленого свечения и редкоземельного люминофора синего свечения, при этом размер 50% люминофоров составляет от 12 до менее чем 15 мкм, где размер 50% представляет собой медианный по объему диаметр, т.е. 50% по объему от всех частиц люминофоров являются большими, чем этот размер, а 50% по объему - меньшими, чем этот размер.

5. Лампа по п. 4, при этом масса порошка смеси люминофоров составляет между 5 г и 7 г.

6. Лампа по п. 5, при этом люминофорное покрытие нанесено в один слой.

7. Лампа по п. 5, при этом люминофорное покрытие нанесено двойным слоем.

8. Лампа по п. 7, при этом первый слой двойного слоя составляет 40-60% по массе от люминофорного покрытия.

9. Лампа по п. 4, при этом люминофор красного свечения представляет собой люминофор YOE, люминофор зеленого свечения представляет собой по меньшей мере один из люминофоров LAP, CAT или CBT, а люминофор синего свечения представляет собой по меньшей мере один из люминофоров BAM или SCAp.

10. Лампа по п. 4, при этом люминофор красного свечения представляет собой люминофор YOE, люминофор зеленого свечения представляет собой люминофор LAP, а люминофор синего свечения представляет собой люминофор BAM.

11. Лампа по п. 10, при этом масса порошка смеси люминофора составляет между 5 г и 7 г.

12. Лампа по п. 11, при этом люминофорное покрытие нанесено в один слой.

13. Лампа по п. 11, при этом люминофорное покрытие нанесено двойным слоем.

14. Лампа по п. 13, при этом первый слой двойного слоя составляет 40-60% по массе от люминофорного покрытия.